变频调速水泵应用分析与展望

变频调速水泵应用分析与展望

本文论述了水泵变频调速技术的基本原理，探讨了该项技术的主要特点与技术优势，比较了当前变频调速系统两种主要的实现方式，并介绍了采用变频调速水泵的典型应用案例。本文中介绍的典型案例可以作为变频水泵安装运行参考 变频调速水泵应用分析与展望 1 引言

据美国能源部能源情报署《国际能源展望2004》基准状态预测，全球能源消费总量将从2001年的102.4亿吨油当量增加到2025年162亿吨油当量，世界能源消费在2001-2025年将增加54%。作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分，目前中国的能源消费已占世界能源消费总量的13.6%，因此，注重能源资源的节约，提高能源利用效率，加快可再生能源的开发利用，对于中国来说既重要又迫切。我国自2008年4月1日起开始推行最新修订的能源保护法，并且计划在“十一五”期间，进一步减少在能耗密集型产业的投资，以实现每单位GDP增长能耗降低百分之二十的目标。

水泵作为水利输送设备，在工业、农业、商业和民用建筑中有着极其广泛的应用，其消耗的电能也占到总能耗的10%-20%。如图 1所示，目前全球水泵的总电能消耗约为5500亿千瓦时，据权威部门预测，到2020年将会上升到8550亿千瓦时。随着变频技术不断发展，各种新型变频调速水泵的出现，将会对节能起到巨大的推动作用[1]。

图 1水泵总电能消耗预测

2 变频调速水泵特性分析 2.1 变频调速水泵基本原理

在生产实际中,由于水量、压力始终处于动态的变化之中,水泵节能离不开工况点的合理调节，在各种调节方式中,水泵特性曲线调节的节能效果最为显著。采用变频器改变水泵的转速,实质上是改变泵的特性曲线, 使之与目标需求相匹配，以闭式循环系统为例，如图 2所示：

图 2泵与管路特性曲线调节

常用的流量调节方法是通过调节阀门实现的。泵运行工况点是泵的特性曲线与管路阻力曲线的交点，采用阀门节流控制时，当需要的流量减小时，关小阀门，阻力曲线从1移到2，运行工况点从A点移到B点,水泵扬程则从升到，流量从减小到，而此时实际需要的扬程仍为,则扬程

将被浪费。若采

用调速控制，泵的特性取决于转速，如果将速度从降到，泵的特性曲线也从移到所在的特性曲线上，运行工况点将从A点移到C点，与B点比较，节约的功率为：

…………………………(1)

其中，液体密度，

；

：体积流量，重力加速度，水泵效率；

； ；

：水泵扬程，；

从以上分析可以看出，变频调速与闸阀节流方案相比较，当需求流量减少时，Ps还将增加。 在采用转速控制时，根据相似定律，流量Q，扬程H，功率P和转速n之间的关系可写为：

………………………………………（2）

………………………………………（3） ………………………………………（4）

随着转速的变化，水泵的效率也在变化，通常，在转速变化在100%~40%内，水泵的效率变化不大，40%以下，水泵效率可按下式估算：

…………………………（5）

式中，

：调速后水泵效率；

：原转速下水泵效率； ：原转速，rpm；

：调速后水泵转速，rpm

由(2)(3)(4)(5)可知，在图 2中，在闭式循环系统中，C

点与其相似点C’相比较，若C点转速较C’转速下降三分之一，则流量为C’点的三分之二，扬程为其九分之四，所需的能量约为其30%。

2.2 变频调速水泵成本回收周期分析

换装高效的变频调速泵的经济效益十分优异，如图 3所示，某大楼中央空调系统换装变频调速泵后，整体效率提高了52%，与定速泵相比较，投资回报期为2.5年。换言之, 在2.5 年中，初始增加的投资通过节省的电费得到了回报。

从长期来看，还有额外的节电和二氧化碳减排效果[1]，图 4 的案例中显示了一个10年的净投资回报，通过采用变频调速泵，可以平均每年节省110万人民币。

图 3 北京中咨大厦空调系统案

例

图 4 安装高效调速泵投资回收期

2.3 变频水泵的其他特点

变频调速系统可以非常方便地调节电机速度，可以根据系统需求任意设定水泵运行点，这提高了系统的性能。变频调速水泵的舒适性主要体现在[3]：

1) 可以实现恒压，比例，设定转速等多种控制方式。 2) 消除水锤效应。

3) 通过控制流量和压力可以减少水泵系统中的噪声，比如减少阀门的噪声。 4) 节约安装成本，可以减少系统中部分不必要的辅助控制元件，如调试阀。

5) 流程优化。变频调速水泵系统可以为中央控制系统提供完善的控制接口，从而方便中央控制器对包含水泵的整个系进行整体优化控制，最终能达到系统性能的最优化。

6) 参数自动识别设定。变频调速系统，尤其是集成安装方式的系统，可以根据电机和水泵本体的设计参数在电子控制器内部出厂设定一套最优化的参数，无需在系统安装好以后对变频器进行繁琐的人工设置。这样可以保证水泵系统在最优化的参数设置下运行，系统的运行点、效率都可以达到最优化。

3 变频调速水泵工程实现方式

根据变频器与水泵的安装方式，变频调速水泵的实现方式有两种：变频器外置安装方式和变频器集成安装方式。

3.1 变频器外置安装

这种安装方式，需要额外的空间放置变频器。变频器与电机之间需要电缆连接，如果距离过长，需要专业的屏蔽电缆连接。在初始投入运行时，需要对外置变频器进行匹配水泵系统的设置。在一些场合，系统中传感元件的信号线也需要连接到变频器内部，安装较为复杂并且影响了系统可靠性。

针对水泵系统，已有多家变频器厂商推出水泵专用变频器产品，如图 5所示。变频器运行软件已经设定为水泵运行的曲线。

图 5 变频器外置安装

3.2变频器集成安装

随着交流调速系统的不断发展，目前有一些国内外厂家已经开始提供集成安装的变频调速系统，如图 6。这种系统将变频驱动以及电机控制系统直接安装在电机一起，省掉了变频器与电机连接的电缆。由于实现了电机与内置变频器连接最短化，对于降低系统的电磁噪声、符合电磁兼容标准具有较大优势[2]。系统需要的传感器已经在内部连接并且设置好，方便了用户安装。

图 6变频器集成安装

3.3不同安装方式的特点

外置变频器安装位置的选择具有较大自由度，但是安装布线和设置较为复杂。 集成安装方式与外置变频器安装方式相比，在性能方面主要有以下一些特点：  节省安装空间

安装简捷方便，与安装一个标准定速运转水泵类似，不需要繁琐的变频器初始运行设置 优越的电磁兼容性能

 节约电机连接电缆以及其他系统组件成本

性能优化，集成式变频器会与内部电机的性能参数进行最优化匹配，从而带来整体系统性能的提升

4 变频调速水泵工程案例

案例1 降低能耗——变频调速泵在机床冷却液供给系统中的应用

某制造企业拥有一套中央处理系统，用于存储、清理、配送冷却液至厂区内所有42台机床设备。按照其运行占空比和对冷却液需求量的不同，所有的机床设备总共分为A,B,C三类，并且按照三个班次运行。在图 8所示的系统原理图中，冷却液装在一个专用存储罐中，水泵A安装在罐子里，并连接到冷却液供应总线上。

这里泵A采用的是变频泵，并工作在恒压模式。

图 7 变频调速泵在机床冷却液供给系统中的应用实

例

图 8 机床冷却液供给

系统原理图

所有42个机床通过一个电磁阀连接到供应总线上。机器启动的时候会激活电磁阀，随后冷却液被引入一个接收罐，这里通过一个内置的液位阀来确保罐内的冷却液。单个机床的冷却液流量是根据机床的使用情况和负荷大小的不同而不断变化的。因此，一个能提供恒压的变频泵可以提高系统的整体性能，同时进一步减少能耗。

图 9 机床冷却液供给系统工厂全天负荷情况

图 9向我们展示了整个工厂的全天负荷情况。对比采用变频泵前后的能耗状况，在变频泵条件下每年可以

节省约58%，即11,764千瓦时的电量，通过表1可以清楚地看到这一点。

表 1定速泵与变频泵应用能耗对比

案例2 降低安装成本——变频调速泵在空调系统中的应用

某机场的空调系统主要由三个冷机单元组成，分别为440KW,440KW,260KW。

如图 11所示，每个冷机单元由两个水冷式冷凝器和两个蒸发器组成，其中两个蒸发器被封装在同一个热交换器内。水泵1和水泵2控制冷凝器侧的液体循环，水泵3控制热交换器侧的液体循环。

图 10 变频调速泵在空调系统中的应用实例

图 11 空调系统原理图

传统的并联式冷机单元制冷回路包括一个水泵、一个调试阀和一个电动开/关式阀门。图 12将该机场基于调速泵的系统设计与传统的基于定速泵和调试阀的系统设计进行了对比。传统系统主要通过调试阀V1,V2,V3来保证通过三个冷机单元的液体流量按照实际的制冷负荷，并且三个不同子循环回路不会相互影响。唯一能保证这一点的途径就是使得调试阀成为每个回路中的主要阻尼组件，也就是造成回路中压力损失最大的部件。但带来的结果就是大量的压力损失，大量的电能消耗。

调速泵的解决方案可以完全避免这些缺陷，其取代了定速泵和昂贵的控制阀门组，除了必要的组件（热交换器，管路系统等）外，该系统只有一个标准的、产生最小限度压力损失的单向阀。

5 结束语

本文分析了变频调速水泵在工程应用中的优势，介绍了变频水泵的应用实例。

在目前全球气候变暖以及能源匮乏的背景下，可以预见变频调速水泵的需求和应用将会越来越多。本文中介绍的典型案例可以作为变频水泵安装运行参考。

参考文献：

[1] Danish Environment Technology Adoption in China [M]. McKinsey Company. 2009 [2] Murphy, P.E.: Understanding Variable Speed Drives, Maintenance Technology, March, 1996.

[3] Bartos F.J.: Integrated Motor-Drives Seek Wider Market, User Acceptance, Control Engineering, December 2000.